Hello, and welcome to the TI Precision Labs hands-on experiment on crossover distortion. In this experiment, we'll compare the performance of two different rail-to-rail amplifiers. One amplifier, the OPA316, has input crossover distortion. The other amplifier, the OPA320, does not have crossover distortion.
In this experiment, we'll measure the degradation of THD caused by crossover distortion. For this lab, we will use the OPA320 and OPA316 data sheet to show if the device has crossover distortion and the voltage level that the distortion occurs at. This experiment will not use simulation as SPICE models do not model THD and crossover distortion.
Finally, we will measure the two amplifiers. To make this measurement, you will need the PLABS-SAR-EVM-PDK and its associated software. The EVM can be purchased. And the software can be downloaded using the provided link.
The schematics at the left-hand side show the circuits we will evaluate. The only difference between the two circuits is the op-amp being used. The right-hand side shows small excerpts from amplifier data sheets. Specifically, we are looking at the common mode range and the Common Mode Rejection, or the CMRR specification.
The common mode range for both amplifiers goes beyond the power supply rails. For the OPA316, the common mode range is 0.2 volts below the negative rail and 0.2 volts above the positive rail. In this example, the supply rails are ground and 5.2, so the common mode range for the OPA316 is minus 0.2 volts to 5.4 volts. The OPA320 common mode range can be calculated similarly to be minus 0.1 volts to 5.3 volts.
Now, lets look at the common mode rejection specification. Although both devices are rail-to-rail, the common mode rejection specification for the OPA316 is broken into two ranges. The first range is 1.4 volts below the positive rail. Note that this restricted range has 10 dB better performance than the full rail-to-rail range.
On the other hand, the OPA320 lists only one common mode rejection specification. And the specified rejection is quite good. That is, it is greater than 100 dB. The point is that the OPA316 CMRR is better in the restricted range because it avoids the crossover region.
The upper common mode limit of 1.4 volts below the positive supply is about where the crossover distortion will happen. So in this case, the crossover happens at 3.8 volts, which is calculated by subtracting 1.4 volts from the 5.2 volt supply.
The OPA320, on the other hand, has good performance across the entire common mode range. So you can assume it's a zero crossover distortion device. Also note, that most zero crossover amplifiers will highlight this feature on the data sheet front page, whereas rail-to-rail devices with crossover distortion may not emphasize this limitation.
Now, that we've done the simple calculation, let's set up the hardware and measure the performance. First set the jumpers on the PSI and the PLABS hardware as shown. Next, plug the PHI into the PLABS channel 2 connection, and install the OPA316 into the channel 2 socket. Connect the PSI to the PLABS board using the SMA cable as shown.
Finally, plug the USB cables into your computer. When connecting the USB cables to the computer, an LED on the PHI should blink, and an LED on the PSI will illuminate continuously. Let's pause for a moment and set the jumpers.
Now, let's start the software by selecting the PLABS-SAR EVM icon on the Start, All Programs menu. Once the software is running, you should notice the green hardware connected message at the bottom of the software. Next, change the sampling rate to 500 kilo-samples per second. Finally, press here to expand the controls for the PSI hardware.
Let's pause and start the software. When power is first connected to the PHI, you will see two blinking LEDs and one solid LED. The PSI will have one solid LED. Once the software boots up, you will notice the power LEDs on the PLABS board illuminate. Now, let's set up the PSI.
First, enter the peak-to-peak amplitude and the DC offset required. Let's start with 2 volts peak-to-peak and a 1.5 volt offset for this experiment. Next, press Update to save the changes.
Finally, click on this button to enable the PSI output. Note, that the output is enable when it is the teal color as shown, and it is disabled when it is red. Also notice that the graphical display indicates the output is about 0.5 volts to 2.5 volts as expected. Pause and enter the PSI settings.
Press Capture to read the ADC. Notice that the entire graph is filled with points. This is because the time scale isn't adjusted properly, and we need to zoom in to see a sine wave. Left click and drag to zoom in. Notice that the waveform fills the entire graph. This is because the graph automatically rescales in the Auto Mode.
Change to the Fit Code to range mode to see the waveform on the full scale range. Pause and adjust your display. Now, you can see the waveform on the full scale range, which is 5 volts in this example. Also, notice that the waveform range is 0.5 volts to 2.5 volts, which matches what we entered using the PSI controls. This display is useful as it helps us see that the signal is nowhere near the crossover region of 3.8 volts.
Now change the page to Spectral Analysis. Pause and switch page to Spectral Analysis. Notice that under the Spectral Analysis page, we can see important AC measured results like SNR and THD.
Also as a side note, the SNR in this experiment could be improved by applying a full scale signal. In this experiment, we are intentionally using a 2 volt peak-to-peak signal, so that we can see the effects of crossover distortion. For best SNR, we should really use a 5 volt signal.
Note that the frequency domain display shows the fundamental, noise floor, and harmonics. To zoom in on the harmonics, click Mark Harmonics. Pause and select Mark Harmonics. Here we can see the zoomed in view of the harmonics. Notice that each of the harmonics is labeled H2 to H10.
The display shows the nine harmonics that are used in the THD calculation. Also notice the harmonics are listed in a table format as well. Click here to minimize or maximize the PSI controls as needed.
Now that we have gone through the hardware setup, we can fill out a table that compares the AC performance of the OPA316 and the OPA320 versus common mode voltage. To simplify collecting data, you can click on the number in the GUI cell and hit Control-C to copy the number. Then click in the table and press Control-V to paste the number.
Also for each row in the table, you will have to enter the amplitude from the Vin column and the DC offset from the Vcm column. For example, for the first row, enter 2 volts peak-to-peak for the amplitude control and 1.5 volts into the DC offset control.
This table shows the expected results for the OPA316 and OPA320. Let's look at the first row. The input is set to 2 volts peak-to-peak or 1 volt peak. The common mode voltage or offset is set to 1.5 volts.
The sine wave negative peak is at Vcm minus Vpeak. In this case, it's 1.5 volts minus 1 volt, which is equal to 0.5 volts. Similarly, the positive peak is 1.5 volts plus 1 volt, which is 2.5 volts.
The positive peak denoted Vmax is the number we need to pay attention to. When Vmax is below the crossover voltage, we will not see crossover distortion and the AC performance should be good. When Vmax is above the crossover voltage, we should see crossover distortion and the AC performance should be degraded.
The OPA316 crossover region happens at 3.8 volts. So we should see degradation above this voltage. Sure enough, you can see that the OPA316 THD degrades significantly for Vmax of 4 volts and greater. Notice, however, that the OPA320 has good performance across all common mode voltages because it is a zero crossover device.
Now, you could run the experiment for the OPA320 and the OPA316. Your results should have the same trend as the expected results. But the specific value may differ somewhat. For example, you may see a THD of 100 dB for Vmax of 2.5 volts, and 67 dB for Vmax of 4.8 volts.
The point isn't to focus on the exact value, but to notice that THD dramatically decreases once you enter the crossover region. A common error is to forget to adjust the sampling rate to 500 kilo-samples per second. This is needed as the OPA316 is not fast enough for the ADS8860 full sampling rate of 1 megasample per second.
Graphing the results from the table shows that the OPA320 THD is relatively unaffected by the maximum input signal amplitude, but the OPA316 performance degrades when the maximum signal passes the crossover voltage of 3.8 volts. The attached Excel spreadsheet can be accessed by clicking on the icon in the PowerPoint presentation. This spreadsheet contains a table from the last slide and the graph shown here.
When collecting data for the OPA320 use the coupon card labeled OPA320 good filter1. All other jumper settings and connections are the same for both amplifiers. That concludes the hands-on experiment. I hope this was useful to you. Thanks for your time. 大家好，歡迎收看 TI 精密實驗室 交越失真 實作實驗。 在此實驗中， 我們會比較 兩種軌對軌 放大器的性能。 其中一款放大器 OPA316 有交越失真的情況， 另一款放大器 OPA320 則沒有 交越失真。 在此實驗中，我們將 測量因交越失真 所造成的 THD 劣化。 本實驗室會使用 OPA320 與 OPA316 產品說明書來說明 裝置是否有交越失真， 以及交越失真發生 時的電壓位準。 由於 SPICE 模型 無法對 THD 和交越失真進行建立模型， 因此本實驗不會使用模擬。 最後，我們將對 兩個放大器進行測量。 為了執行測量，您會需要 PLABS-SAR-EVM-PDK 和相關軟體。 您可訂購 EVM， 相關軟體則可 透過提供的連結 進行下載。 左側電路圖 是我們要 評估的 電路。 兩個電路間 唯一差異是 使用的運算放大器。 右手邊則是從 放大器產品說明書中 摘錄的一小段內容。 我們會特別 觀察共模 範圍和共模 拒斥，或稱為 CMRR 規格。 兩種放大器 的共模範圍 皆超出 電源軌。 OPA316 的 共模範圍 比負極電源軌 低 0.2 伏特， 並比正極電源軌 高 0.2 伏特。 此例中電源軌 已接地並為 5.2， 因此 OPA316 的 共模範圍是 負 0.2 伏特至 5.4 伏特。 OPA320 共模 範圍計算方法類似， 為負 0.1 伏特 至 5.3 伏特。 接下來我們來看看 共模拒斥規格。 雖然兩種都是 軌對軌裝置， 但 OPA316 的 共模拒斥規格 又可分成兩個範圍。 第一個範圍是低於 正極電源軌 1.4 伏特。 請注意此限制 範圍的性能 比完整軌對軌 範圍高 10 dB。 另一方面，OPA320 只列出一個 共模拒斥規格， 且規定的拒斥 非常優異， 大於 100 dB。 重點是因為 OPA316 CMRR 可避免交越 失真，因此 限制範圍 較佳。 上方共模限制 為低於正極電源軌 1.4 伏特， 大約就是 交越失真 發生點。 所以我們將 此例 5.2 伏特 減去 1.4 伏特， 即可算出交越 會發生在 3.8 伏特。 OPA320 則在 整個共模範圍中 都有很好的 性能表現。 因此我們可假設 此裝置為零交越失真。 另外也請注意， 零交越失真放大器的 產品說明書 首頁會特別註明此特性， 有交越失真的 軌對軌裝置 則未必會強調 此限制。 我們已完成 簡單的計算， 接著我們來設定 硬體並測量性能。 首先請依圖示 設定PSI 與 PLABS 硬體跨接器。 接下來請將 PHI 插入 PLABS 通道 2 連接， 並將 OPA316 安裝 在通道 2 插座內。 依圖示使用 SMA 線將 PSI 連接至 PLABS 板。 最後將 USB 纜線插入電腦。 將 USB 纜線連接至電腦時， PHI 上的 LED 會閃爍， PSI 上的 LED 則會 持續亮起。 我們暫停一下 來設定跨接器。 接下來我們從 「開始」，「所有編程」 選單中，選取 PLABS-SAR EVM 圖示。 軟體開始 執行後， 會在軟體下方 看到綠色的 「已連接硬體」訊息。 接著，將取樣率變更成 每秒 50 萬取樣。 最後，按此處 展開 PSI 硬體 的控制項。 我們暫停一下 並啟動軟體。 電源一開始 連接到 PHI 時， 您會看到兩個 LED 閃爍， 另一個 LED 恆亮。 PSI 則會有一個 LED 恆亮。 軟體啟動後， 便可看到 PLABS 板的 電源 LED 亮起。 接下來我們設定 PSI。 首先請輸入 峰間振幅和 所需的 DC 偏移。 此實驗會從 2 伏特峰間和 1.5 伏特偏移開始。 接下來，請按一下「更新」 來儲存變更。 最後請按此按鈕 啟用 PSI 輸出。 請注意， 輸出啟用時 會如圖示 呈現藍綠色， 停用時則為紅色。 另請注意 圖形顯示 指出輸出如同預期， 約為 0.5 伏特至 2.5 伏特。 請暫停並 輸入 PSI 設定。 按下「擷取」讀取 ADC。 您可看到整張 圖中有許多點。 這是因為時間刻度 未正確調整， 我們必須放大 才能看到正弦波。 請按左鍵並拖曳加以放大。 您可看到整張 圖佈滿波形。 這是因為在 「自動」模式下， 圖表會自動調整大小。 請改成 「全範圍代碼」模式， 即可以全幅範圍 觀察波形。 暫停並調整顯示。 現在我們可以 全幅範圍觀察波形， 此例中為 5 伏特。 另外請注意 波形範圍為 0.5 伏特至 2.5 伏特， 和我們使用 PSI 控制項 所輸入的數值相符。 這個顯示非常實用， 因為可讓我們 看到訊號 現在接近 3.8 伏特 交越區域。 接下來我們將 頁面換成「頻譜分析」。 請暫停並將頁面 切換成「頻譜分析」。 請注意在 「頻譜分析」頁面下， 可以看到 SNR 與 THD 等重要 AC 測量結果。 另外提醒各位， 此實驗中的 SNR 可利用全幅 訊號加以改善。 此實驗中， 我們刻意使用 2 伏特 峰間訊號， 以便觀察 交越的影響。 為了取得最佳 SNR， 我們應使用 5 伏特訊號。 我們可從 頻域顯示中 看到基頻、 雜訊底線和諧波。 若要放大諧波， 可按一下「標示諧波」。 暫停並選取「標示諧波」。 我們可看到放大的 諧波畫面。 每個諧波都標註 為 H2 到 H10。 顯示畫面 指出 THD 計算中 使用了九個 諧波。 另外也以 表格型式列出 諧波。 按一下這裡， 視需要將 PSI 控制畫面 最大化或最小化。 我們已完成 硬體設定， 接下來可 填入表格，比較 OPA316 和 OPA320 的 AC 效能 與共模電壓的關係。 若想簡化 資料收集， 可按一下 GUI 資料格中的數字， 再按 Control-C 複製數字。 然後在表格中 點一下，再按 Control-V 貼上數字。 此外您必須在 表格中每一列， 輸入 Vin 欄位的 振幅和 Vcm 欄位的 DC 偏移。 舉例來說，請在第一列 輸入 2 伏特峰間 振幅控制，然後在 DC 偏移控制中 輸入 1.5 伏特。 此表可看出 OPA316 和 OPA320 的預期結果。 我們來看一下第一列。 輸入設為 2 伏特峰間 或 1 伏特峰值。 共模電壓或偏移 則設為 1.5 伏特。 正弦波負峰值為 Vcm 減去 Vpeak。 此例中為 1.5 伏特減去 1 伏特， 得到結果為 0.5 伏特。 同樣的道理， 正峰值為 1.5 伏特 加上 1 伏特，結果為 2.5 伏特。 標記為 Vmax 的 正峰值是我們 必須注意的數值。 當 Vmax 低於 交越電壓， 便不會看到 交越失真， AC 效能也 應為良好。 當 Vmax 高於 交越電壓， 便應看到 交越失真， AC 效能也 則會降低。 OPA316 交越區域 發生在 3.8 伏特時。 因此應該會看到高於 此電壓時的劣化情形。 我們可看到 OPA316 THD 顯著下降， Vmax 值大於 4。 但請注意，由於是 零交越裝置， OPA320 在所有共模電壓中 都會有良好的效能表現。 裝置.
接下來我們 可執行 OPA320 和 OPA316 實驗。 得到結果應與 預期結果有 相同的趨勢。 但特定值可能 會略微不同。 舉例來說，您可看到 Vmax 2.5 伏特時為 100 dB THD，Vmax 4.8 伏特時 則為 67 dB。 重點並不在於 實際數值， 我們因注意進入 交越區域後 THD 會劇烈下降。 大家常犯的錯誤 是會忘記將取樣率 調整成每秒 50 萬取樣。 由於對 ADS8860 每秒 1 MSa 的完整取樣率而言， OPA316 的速度 並不夠快， 因此需要進行調整。 我們將表格 結果進行繪製， 便可看到 OPA320 THD 相對 不受最大輸入 訊號振幅影響， 但 OPA316 效能 會在最大 訊號通過 3.8 伏特交越電壓時 降低。 按一下 PowerPoint 簡報中的圖示 即可存取受影響的 Excel 試算表。 演示.
此試算表包含 最後一張投影片 中的表格，並將 圖表顯示在此。 收集 OPA320 資料時 請使用標記為 OPA320 良好濾波器 1 的 試樣卡。 兩種放大器的 其他所有跨接器 設定和連接 皆相同。 實作實驗 到此結束。 希望這對您有幫助。